试验二铁碳合金显微组织观察

实验二铁碳合金显微组织观察一．实验目的

1）观察碳钢和铸铁试样在平衡状态下的显微组织。

2）熟悉亚共析钢、共析钢及过共析钢的组织特征，了解各种工业用铸铁的显微组织特征。

并熟悉随含碳量的增加，组织的变化特征。

二．实验原理

通常将含碳量<2.11%的Fe-C合金称为钢，含碳量>2.11%的合金称为铸铁。根据铁碳二元相图（图5-1），它们在室温下的组成相都是铁素体和渗碳体，但它们在显微组织上有很大的差异。

图5-1 按组织分区的Fe-Fe3C相图

2.1 铁碳合金中的几种基本相和组织。

①铁素体（F）是碳在 -Fe中的固溶体，为体心立方晶格。具有磁性及良好的塑性，硬

度较低。用3%—4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现明亮色的多边形晶粒：亚共析钢中，铁素体呈块状分布；当含碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体(共析体)周围。

②渗碳体（Fe3C）是铁与碳形成的一种化合物，其含碳量为6.69%。用3%—4%硝酸酒精

溶液浸蚀后，呈亮白色；若用热苦味酸钠溶液浸蚀，则渗碳体呈黑色而铁素体仍为白色，由此可区别铁素体与渗碳体。此外，按铁碳合金成分和形成条件不同，渗碳体呈现不同的形态：一次渗碳体从液相中析出，呈条状；二次渗碳体（次生相）从奥氏体中析出，呈网络沿奥氏体晶界分布；经球化退火，渗碳体呈颗粒状；三次渗碳体从铁素体中析出，常呈颗粒状；共晶渗碳体与奥氏体同时生长，称为莱氏体；共析渗碳体与铁素体同时生长，称为珠光体。

③珠光体（P）是铁素体和渗碳体的机械混合物，是共析转变的产物。由杠杆定律可以

求得铁素体与渗碳体的含量比约为8:1。因此，铁素体厚，渗碳体薄。硝酸酒精浸蚀后可观察到两种不同的组织形态。

A、片状珠光体它是由铁素体与渗碳体交替排列形成的层片状组织，经硝酸酒精溶液浸蚀

后，在不同放大倍数的显微镜下，可以看到具有不同特征的层片状组织。

B、球状珠光体球状珠光体组织的特征是在亮白色的铁素体基体上，均匀分布着白色的渗

碳体颗粒，其边界呈暗黑色。

上述各类组织组成物的机械性能见表5-1。

表5-1 各类组织组成物的机械性能

④它是含碳量为4.3%的液态共晶白口铸铁在1148℃发生共晶反应所形成的共晶体（奥氏

和共晶渗碳体），其中奥氏体在继续冷却时析出二次渗碳体，在727℃以下分解为珠光体。因此，莱氏体的显微组织特征是在亮白色的渗碳体基底上相间地分布着黑色斑点或细条状的珠光体。(渗碳体+珠光体)

⑤)奥氏体（A）是碳溶于γ—Fe的固溶体。奥氏体为面心立方晶格，硬度较低而塑性较

高，无磁性，其晶粒在显微镜下呈不规则的多边形，晶界较平直，具有孪晶线

2.2 铁碳合金在室温下的显微组织特征

1．工业纯铁含碳量<0.0218%的铁碳合金通常称为工业纯铁，它为两相组织，即由铁素体和三次渗碳体组成。图5-2所示为工业纯铁的显微组织，其中黑色线条是铁素体的晶界、而亮白色基体是铁素体的多边形状等轴晶粒。

2．碳钢

①共析钢含碳量为0.77%的铁碳合金。其显微组织由单一的共析珠光体组成。如图5-3所示。

②亚共析钢含碳量在0.0218%—0.77%范围内的铁碳合金。其组织由先共析铁素体和珠光体所组成，随着含碳量的增加，铁素体的数量逐渐减少，而珠光体的数量则相应地增多，图5-4为亚共析钢的显微组织，其中亮白色为铁素体，暗黑色为珠光体。

③过共析钢含碳量在0.77%与2.11%之间的铁碳合金。其组织由珠光体和先共析渗碳体（即二次渗碳体）组成。钢中含碳量越多，二次渗碳体数量越多。图5-5为含碳量1.2%的过共析钢的显微组织。组织中存在片状珠光体和网络状二次渗碳体，经4%硝酸酒精浸蚀后珠光体呈暗黑色，而二次渗碳体则成白色网状（图5-5a）。若要根据显微组织来区分过共析钢的网状二次渗碳体和亚共析钢的网状铁素体，可采用煮沸的苦味酸钠溶液来浸蚀，二次渗碳体被染成黑色网状，如图5-5b所示，

图5-2 工业纯铁显微组织图5-3 片状珠光体组织

黑色线条是铁素体的晶界、而亮白色基体是铁素体的多边形状等轴晶粒

图5-4 45钢（亚共析钢）的显微组织

（a）侵蚀剂：4%硝酸酒精溶液 (b) 侵蚀剂：碱性苦味酸钠溶液

图5-5 过共析钢（T12）的显微组织

而铁素体仍为白亮色。

1．白口铸铁含碳量大于2.11%的铁碳合金叫白口铸铁。其中的碳以渗碳体的形式存在，断口呈白亮色而得此名。

①亚共晶白口铸铁含碳量<4.3%的白口铸铁称为亚共晶白口铸铁。在室温下亚共晶白口铸

铁的组织为珠光体+二次渗碳体+莱氏体，如图5-6所示。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下呈现黑色枝晶状的珠光体和斑点状莱氏体，其中二次渗碳体与共晶渗碳体混在一起，不易分辨出来。

②共晶白口铸铁共晶白口铸铁的含碳量为4.3%，它在室温下的组织由单一的共晶莱氏体

组成。经4%硝酸酒精浸蚀后，在显微镜下，珠光体呈暗黑色细条或斑点状，共晶渗碳体呈亮白色，如图5-7所示。

③过共晶白口铸铁含碳量>4.3%的白口铸铁称为过共晶白口铸铁，在室温时的组织由一次

渗碳体和莱氏体组成。用4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微镜下可观察到在带黑色斑点的莱氏体基体上分布着亮白色的粗大条片状的一次渗碳体，其显微组织如图5-8所示。

图5-6 亚共晶白口铸铁显微组织图5-7 共晶白口铸铁显微组织

图5-8 过共晶白口铸铁显微组织

2.3 工业用铸铁的显微组织特征

工业用铸铁含碳量约为1.7—4.5%，含硅量为1—3%。硅主要用于促进石墨化并能略为提高其共晶转变温度，减少共晶点的含碳量。增加共晶体的数量从而改善铸造时铁水的流动性。

铸铁的石墨化过程分为三个阶段，第一阶段为高温石墨化阶段。从先共晶液相中直接析出一次石墨，或在共晶转变过程中形成共晶石墨，以及由一次渗碳体、共晶渗碳体在高温下分解析出石墨。

第二阶段为“共晶—共析之间”阶段，也叫过程石墨化阶段。从奥氏体中直接析出二次石墨，或者由二次渗碳体在此温度范围内退火分解而形成石墨。

第三阶段为共析反应阶段，也称低温石墨化阶段，即在共析反应中奥氏体直接转变为石墨，或由共析渗碳体分解而成石墨。

实践证明，灰口铸铁中石墨化的程度不同时，获得的金相组织基体也不同。三个阶段都得以完全进行的为铁素体基体；第三阶段进行不完全的得到铁素体和珠光体基体；第三个阶段未进行的为珠光体基体。与白口铁相比，含石墨的铸铁具有一定强度，易切削，并具有优良的减震性。石墨的形态、大小和分布对其性能有很大的影响，根据石墨的大小及形态的不同，可分为普通灰口铸铁、孕育铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。每种铸铁都可具有上述三种基体。

1）普通灰口铸铁

普通灰口铸铁化学成分为一般为2.5—3.6%C，1.1—2.5%Si、0.6—1.2%Mn、≤0.5P、≤

0.15%S。由片状石墨分布在铁素体+珠光体或珠光体上，见图5-9。珠光体基的灰口铁耐

磨性好，强度较高，生产工艺简单，成本低，因此应用较广，但机械性能差。一般石墨片越大、越直、两头越尖，性能也就越差。

2）孕育铸铁

孕育铸铁是一种高强度灰口铁，其石墨片较细，分布也很均匀，从而提高了铸铁的机械性能。常用的孕育剂有硅铁、硅钙等，其中以含75%Si的硅铁使用最为普通。这些孕育剂或它们的氧化物悬浮在铁水中，起促进石墨形核的作用，可使石墨以较小的片状均匀分布在金属基体上，从而改善了铸铁的机械性能。

3）球墨铸铁

球墨铸铁是一种较为理想的铸铁。在浇注前加入球化剂（镁铁）和墨化剂（硅铁），使石墨结晶成球状，从而提高铸铁的强度、塑性和韧性，使其综合机械性能接近于钢。一般的说，石墨的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则铸铁的机械性能也越好。目前以珠光体加铁素体的球墨铸铁应用最广。图5-10为铁素体基的球墨铸铁。

4）可锻铸铁

将白口铸铁经过可锻化退火处理成为可锻铸铁，又称展性铸铁。可锻铸铁中的石墨成花絮状。可锻铸铁按热处理条件的不同，可分为黑心和白心可锻铸铁两类。黑心可锻铸铁

是由白口铁经长时间的高温石墨化退火而得。其断口特征是，中心呈暗灰色，表面层（由于有些脱碳）而呈灰白色，故称“黑心可锻铸铁”（图5-11）。白心可锻铸铁是由白口铸铁经石墨化退火和氧化脱碳而得。其断口中心呈灰白色，表面层呈暗灰色故称之为“白心可锻铸铁”（图5-12）。由于其韧性较差，退火周期长，故很少应用。

图5-9 灰口铸铁的显微组织图5-10 球墨铸铁的显微组织

图5-11 黑心可锻铸铁的显微组织图5-12 白心可锻铸铁的显微组织

三．实验器材

显微镜，供观察到样品每组8块

四．实验任务与方法

1）根据Fe-C,Fe-Fe3C双重相图，详细分析各试样的显微组织特征，画出所观察碳钢组织的示意图。

五．实验报告要求

1）写出实验目的

2）画出所观察样品的显微组织示意图，注明合金成分、状态、放大倍数及各组织组成物的名称，说明其特征。

3）用箭头标明相组成物和组织组成物的名称于组织图外。

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